“We gaan nu echt het paradigma van de unit operations slopen”, begint Arij van Berkel. De directeur innovatie van TNO in Delft staat op het punt een symposium te openen over de implementatie van PI of procesintensificatie. Geen nieuw onderwerp voor TNO, maar sinds kort verheven tot speerpunt. Voor het eerst lijkt er handel in te zitten. “We zien de interesse heel snel groeien.”

Dat werd tijd, want van die aanpak hoorden we 15 jaar geleden ook al. En desondanks is het overgrote deel van de procesindustrie nog steeds een belichaming van het paradigma in kwestie. Even voor de niet-procestechnologen: het betekent dat je je productieproces uittekent op papier en vervolgens elke stap afzonderlijk vertaalt naar roestvast staal. Een beproefd recept voor excessief energie- en oplosmiddelgebruik, maar tevens robuust, betrouwbaar en zeer voorspelbaar. Het vereist moed zo’n beproefde unit te vervangen door een uitvinding die op papier veel zuiniger is, maar waarvan je moet afwachten of ze het doet.

Dat de stemming begint om te slaan komt volgens Van Berkel vooral doordat microreactoren en andere vormen van PI ondertussen zo ver zijn uitontwikkeld dat je daar ook fatsoenlijk aan kunt rekenen. “Over een jaar of 4 denken we zo ver te zijn dat we van tevoren kunnen berekenen of iets werkt. Net zoals dat bij mechanische constructies al lang gebruikelijk is.”

UITGEKRAAKT

Misschien nog belangrijker, wordt tijdens het symposium duidelijk, is dat de PI-wereld stilletjes van doelgroep is gewisseld. Het gaat anno 2011 niet meer primair over de unit operations van de petrochemie, maar eerder over de specialties, de fijnchemie en de farma. De kleinverbruikers, dus.

Edouard Croufer, chemiewatcher bij adviesbureau Arthur D. Little, vindt het logisch. In zijn ogen heeft de Europese basischemie haar beste tijd gehad. “Er is nog nooit een etheenkraker gebouwd zonder subsidie”, stelt hij. Het Midden-Oosten verstrekt die subsidie in de vorm van goedkoop aardgas, Azië schuift met goedkoop risicokapitaal en Europa... heeft niets te bieden.

Wat Croufer betreft is dat niet erg, zolang je het maar ziet als prikkel om in de specialiteiten te gaan. In die sector komt het concurrentievoordeel niet uit goedkope grondstoffen, maar uit technologische voorsprong, ontwikkeling van nieuwe toepassingen en een goed distributienetwerk. Het zou een kolfje naar de hand van Westerse kenniseconomieën moeten zijn. PI zou dan een belangrijk onderdeel van de innovatiestrategie kunnen zijn.

MICROSCHAAL

Procesintensificatie is in de huidige praktijk bijna synoniem aan het verkleinen van reactoren en mengers tot microschaal, met diameters in de ordegrootte van millimeters of nog kleiner. Het voordeel van die nauwe buisjes is dat alle vloeistof vlakbij de wand zit, en dus ook bij het koelsysteem achter die wand. Daardoor kunnen in die vloeistof nooit grote temperatuurverschillen ontstaan, ook niet wanneer de reactie veel warmte produceert. Dat betekent dat je je reactanten niet of nauwelijks hoeft te verdunnen om de warmte-ontwikkeling in de hand te houden. Je vergooit dus geen energie meer aan het opwarmen van die verdunning, of aan het achteraf afdestilleren van je product.

Voor de specialiteitenmakers is die energiebesparing minder interessant dan voor de basischemie. Als kostenpost valt energie in het niet bij het arbeidsloon en de grondstoffenprijs. Belangrijker is dat procesintensificatie het hier voor het eerst mogelijk maakt aan continuprocessen te denken. Tot nu toe worden vrijwel alle specialiteiten als batch geproduceerd: net of je in het lab bezig bent, alleen met iets grotere kolven. Vertalen naar unit-operationsprocessen zou theoretisch wel kunnen, maar is voor zulke kleine productvolumes de moeite niet.

Microreactoren maken die vertaalslag een stuk gemakkelijker. In die buisjes is je menging veel beter, kun je je temperaturen en verblijftijden haast op moleculair niveau constant houden en is de kans op ongewenste nevenreacties veel kleiner. Je productkwaliteit wordt gewoon beter. Je hoeft maar een minimale hoeveelheid van je kostbare grondstoffen op te offeren om het systeem uit te proberen en in te regelen. Ook bij het wisselen van het ene naar het ander product raak je heel weinig kwijt. “Als je al die voordelen ziet, is het wonderlijk dat we PI nog niet op veel grotere schaal gebruiken”, zegt Van Berkel.

KINETIEK

Luc Moens van Janssen Pharmaceuticals schat dat overschakeling naar een continuproces in ongeveer 30 procent van de gevallen economisch interessant is. “In potentie verloopt vrijwel elke reactie continu voordeliger. Maar er zijn beperkingen, bijvoorbeeld wanneer het octrooi op je product afloopt, of wanneer een proceswijziging extra ‘filing costs’ bij de toezichthoudende instanties met zich meebrengt. Of als je met je bestaande labapparatuur ook voldoende kunt produceren.”

Hoe groot het voordeel kan uitvallen, ligt primair aan de reactiekinetiek. Uit zijn eigen praktijk kent Moens diverse voorbeelden van reacties die als batch alleen op heel kleine schaal zijn uit te voeren, bijvoorbeeld vanwege extreme warmteontwikkeling. Andere lukken zelfs helemaal niet, omdat zich een ongewenst evenwicht instelt, of omdat ze te snel gaan. “Een reactietijd van 1 minuut red je niet met een batch.”

Volgens Moens kost het inregelen van een dergelijk continuproces vaak slechts een paar dagen. Zijn benadering is de reactie eerst te modelleren om een idee te krijgen van de kinetische parameters k en E_a. Met wat experimenten wordt het model vervolgens ‘gefit’ waarna je ermee kunt voospellen hoe je je microreactor optimaal instelt.

KLEURSPOELING

Ook Hartmut Schiemann is bijna lyrisch over de mogelijkheden van microreactoren. Zijn werkgever Procter & Gamble is gespecialiseerd in consumentenproducten. Dat betekent rekening houden met ingewikkelde recepturen (“Eén kleurspoeling bevat 30 ingrediënten die allemaal invloed op elkaar hebben.”) met behoeftes die per land en per seizoen verschillen, en bovenal met wisselende modetrends. “In het bovenste deel van de markt heb je maar 1 tot 3 maanden om daarop te reageren.”

Het betekent dat je zeer vaak van product moet wisselen en dat er stoffen zijn waarvan je hooguit eens per jaar een paar kilo nodig hebt. Dan is het pas echt een voordeel als je snel processen kunt inregelen en nog sneller op andere producten kunt overschakelen, met een minimaal grondstoffenverlies. De winst is zo groot dat je volgens Schiemann altijd continu-oplossingen moet uitproberen, zelfs als je denkt dat het niet gaat lukken, omdat bijvoorbeeld je menger in no time verstopt zit. “Misschien hoef je alleen maar een iets grotere buis te nemen in plaats van meteen op een batchreactor terug te vallen.”

SKIDS

Niet dat het altijd zo eenvoudig is. Nigel Fletcher van ingenieursbureau Foster Wheeler schetst hoe een schijnbaar simpele opdracht van een farmaceut uit de hand kan lopen. “Die had een batchproces met een groot aantal stappen. Hij wilde naar continu en dacht aan een microreactor”, vertelt hij. “Maar het eindresultaat zag er totaal anders uit.”

Het bleek de moeite waard nog eens goed naar het bestaande batchproces te kijken. Er konden twaalf bewerkingen uit in ruil voor drie nieuwe. Vervolgens is het resterende proces opgebroken in een aantal losse modules, elk op een eigen draagconstructie. Door een of twee van die ‘skids’ om te ruilen kun je ineens heel andere producten maken.

Het praktische ontwerp bezorgde de nodige hoofdbrekens. De leidingen van microreactoren mogen dan dunner zijn, appendages. zoals klepbedieningen blijven even groot. “Je moet ze allemaal met beugeltjes vastzetten, anders draai je die leidinkjes gewoon kapot. Wat je noemt een hele hoop metaal voor een klein beetje proces.” Hierdoor dreigden de skids te zwaar te worden voor de lift waar ze in moesten passen. “Maar het is ons gelukt en de klant vraagt zich nu af of hij niet méér modules moet bestellen en zijn portfolio verbreden.”

TOEVAL

Als die klant niet zo enthousiast over microreactoren was geweest, zouden de skids nooit zijn gebouwd. Zulk toeval speelt vaker een rol. Zo vertelt Gerard Peereboom, van pesticidenproducent Chemtura in Amsterdam-Noord, enthousiast over plannen om een bestaande reactor te vervangen door iets geïntensificeerds. Daarbij spelen drie toevalligheden: het Amerikaanse hoofdkantoor eist forse besparingen, de reactor lijdt zwaar onder corrosie, en Peereboom hoorde precies op het juiste moment dat hij via AgentschapNL een gesubsidieerde ‘PI-scan’ van zijn fabriek kon regelen.

“Als de R&D-manager er geen voordeel in ziet, gebeurt er niets”, heeft ook Luc Moens gemerkt. “Mensen zijn zeker net zo’n groot probleem als de technologie.” Lothar Ott, die bij het Zwitserse Lonza de installatie van een innovatieve divided wall destillatiekolom wist door te drukken, kan erover meepraten. “Het productiepersoneel zegt: ‘we doen het al 20 jaar zo, dus waarom zouden we het veranderen’.”

Hij ergert zich nog meer aan alle collega’s die zeggen: ‘dit gaat tòch niet werken’. “Maar als je kunt bewijzen dat het gaat schelen in de kosten, krijg je de business side wel mee. En achteraf zeggen ze allemààl dat het voor de hand lag.”

GOED OM

En als ze om gaan, zijn ze vaak ook goed om. DSM, dat al jaren goede sier maakt met een niet nader omschreven toepassing in de vestiging in Linz (Oostenrijk) blijkt inmiddels al veel verder te zijn. “We hebben nu één PI-team dat werkt aan een toolbox om projecten snel op te starten, in nauwe samenwerking met uitvinders en apparatenbouwers. In het pakket zit onder meer een microreactor die slurries aankan, met 10 tot 30 massaprocent deeltjes van 100 tot 200 mm zonder te verstoppen”, vertelt Raf Reintjens. En haast terloops laat hij een plaatje zien van een rek vol parallel geschakelde microreactoren, ergens binnen zijn concern. Details mag hij niet geven, maar DSM heeft nog wel meer staan, bevestigt hij tijdens de thee. “Technologisch levert het ons weinig moeite meer op.”

Zelf zou hij best wat meer over zijn ervaringen willen vertellen om collega's over de streep te trekken. "Tegen vergoeding zijn we gaarne bereid onze kennis van microreactoren te delen met anderen." Wie durft?